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    基于矢量控制的五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)方法研究*

    2017-12-05 05:50:58張其林趙美玲
    電機(jī)與控制應(yīng)用 2017年11期

    張其林, 全 力, 張 超, 趙美玲

    (江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

    基于矢量控制的五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)方法研究*

    張其林, 全 力, 張 超, 趙美玲

    (江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

    針對五相永磁同步電機(jī)控制需要電流傳感器數(shù)量多、成本高的問題,提出了一種五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)方法。它只使用兩個(gè)電流傳感器便可實(shí)現(xiàn)對五相電流的全采集,能有效減少硬件電路的成本和復(fù)雜性,重構(gòu)精度和速度能夠滿足五相電機(jī)控制的需要。最后在MATLAB仿真中對所提方法進(jìn)行驗(yàn)證,仿真結(jié)果證實(shí)了所提方法的正確性和有效性。

    五相永磁同步電機(jī);相電流重構(gòu);電流采集;電流傳感器

    0 引 言

    五相永磁同步電機(jī)具有可靠性高、轉(zhuǎn)矩脈動小、低壓大功率等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事武器、新能源汽車等領(lǐng)域。為了達(dá)到對電機(jī)的高精度控制,需要多個(gè)電流傳感器以實(shí)時(shí)采集電機(jī)繞組電流信息[1]。高精度的電流傳感器價(jià)格昂貴,使用多個(gè)電流傳感器勢必會增加硬件電路的成本和復(fù)雜性。為降低硬件電路成本,學(xué)者們展開了單電流傳感器重構(gòu)相電流方面的研究,其中以三相電機(jī)單電流傳感器的研究最為深入[2-5]。

    單電流傳感器重構(gòu)相電流方法主要分為兩類:電流重構(gòu)法與狀態(tài)觀測器法。電流重構(gòu)法采集直流母線側(cè)電流信息,利用母線電流與相電流對應(yīng)關(guān)系重構(gòu)電機(jī)相電流[6]。狀態(tài)觀測器法基于電機(jī)數(shù)學(xué)模型,通過采集直流側(cè)母線電流來重構(gòu)電機(jī)相電流,但需要知道準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)[7]。在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于溫升、振動等原因會引起電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化,存在電流重構(gòu)精度隨電機(jī)參數(shù)變化下降和低調(diào)制區(qū)域無法重構(gòu)等缺點(diǎn)。對五相電機(jī)電流重構(gòu)的問題,鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行研究。

    本文在充分分析五相永磁同步電機(jī)矢量控制原理的基礎(chǔ)上,提出一種使用兩個(gè)電流傳感器的五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)方法。在五相逆變器中的兩個(gè)橋臂安放電流傳感器,通過檢測橋臂電流與指定電機(jī)相電流之和,便可實(shí)現(xiàn)對全部相電流信息的采集。為較好地說明該方法,本文在五相逆變器的模型上分析了不同矢量作用下逆變器電流回路,并指出不同矢量作用下電流傳感器輸出電流與電機(jī)相電流之間的對應(yīng)關(guān)系。本方法可以在減少電流傳感器數(shù)量的同時(shí)獲得較高的重構(gòu)精度,大大降低電機(jī)控制成本。最后通過仿真對本文所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)方法,只需要兩個(gè)電流傳感器便可實(shí)現(xiàn)對全部電流的采集,仿真試驗(yàn)充分證明了此方法的有效性。

    1 三相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)

    1.1三相電流重構(gòu)基本原理

    三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,電流傳感器安裝在直流母線側(cè)。用三相逆變器A、B、C相上橋臂開關(guān)管的通斷情況構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)SaSbSc(1:上管導(dǎo)通,0:上管關(guān)斷),來描述逆變器處于該開關(guān)狀態(tài)下所形成的電壓矢量。例如:SaSbSc=110表示A、B相的上管打開,C相的上管關(guān)斷,其形成的電壓矢量為U110。三相逆變器總共有6個(gè)開關(guān)管,可以形成8個(gè)電壓矢量,把空間分為6個(gè)扇區(qū),如圖2所示。

    圖1 三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    圖2 空間電壓矢量分布

    一個(gè)PWM調(diào)制周期會存在許多不同的開關(guān)狀態(tài),逆變器處于不同的開關(guān)狀態(tài)時(shí),其對應(yīng)的電壓矢量也不同。表1給出了不同電壓矢量作用下母線電流idc與相電流的對應(yīng)關(guān)系。

    表1 母線電流與電機(jī)相電流的對應(yīng)關(guān)系

    在七段式SVPWM調(diào)制方式中,一個(gè)SVPWM調(diào)制周期由七段基本電壓矢量組成。在有效的電壓矢量作用期間,利用母線電流與相電流的對應(yīng)關(guān)系,采集母線電流便可以得到相電流。如圖3所示:以參考電壓矢量在第一扇區(qū)為例,當(dāng)電壓矢量U100作用時(shí),采集母線電流可以得到A相電流值;U110作用時(shí),采集母線電流可以得到C相電流值,然后利用ia+ib+ic=0得到電機(jī)三相電流。

    圖3 第一扇區(qū)內(nèi)母線電流與相電流對應(yīng)關(guān)系

    1.2相電流重構(gòu)死區(qū)

    在理想的情況下,電流傳感器對電流的采樣可以瞬間完成。但是在實(shí)際情況中,為了確保電流傳感器可以完成對電流的采樣,要求基本電壓矢量最小作用時(shí)間Tmin,必須大于PWM信號死區(qū)時(shí)間Tdeadtime、電流建立時(shí)間Tset、采樣保持時(shí)間Thold之和,即:

    當(dāng)參考電壓矢量落入某些特殊區(qū)域時(shí),基本電壓矢量作用時(shí)間有一個(gè)或者兩個(gè)不滿足基本電壓矢量最小作用時(shí)間Tmin要求,導(dǎo)致無法進(jìn)行相電流重構(gòu)。無法進(jìn)行相電流重構(gòu)的區(qū)域被稱為重構(gòu)死區(qū),該區(qū)域內(nèi)無法獲得電機(jī)相電流信息,會導(dǎo)致電機(jī)失控。重構(gòu)死區(qū)主要分為低調(diào)制區(qū)域和扇區(qū)邊界區(qū)域,如圖4所示。

    圖4 相電流重構(gòu)死區(qū)

    當(dāng)電壓矢量在低調(diào)制區(qū)域時(shí),參考電壓矢量幅值很小,兩個(gè)電壓矢量作用時(shí)間都小于Tmin,電流傳感器無法在有效電壓矢量作用期間完成電機(jī)相電流采樣,故無法完成電機(jī)相電流的重構(gòu)。

    當(dāng)電壓矢量在扇區(qū)邊界區(qū)域時(shí),有一個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間小于Tmin,電流傳感器只能通過采樣得到電機(jī)一相電流,因此也無法完成電機(jī)相電流的重構(gòu)。

    1.3重構(gòu)死區(qū)解決方法

    當(dāng)電壓矢量落在重構(gòu)死區(qū)內(nèi),母線電流傳感器無法獲取相電流信息,電機(jī)易失控。為了縮小重構(gòu)死區(qū)面積,文獻(xiàn)[8]提出了平移PWM開關(guān)狀態(tài)信號的方法來實(shí)現(xiàn)對母線電流的采樣;文獻(xiàn)[9]提出了在PWM調(diào)制周期中,用電流采樣矢量代替零矢量的方法來進(jìn)行相電流重構(gòu);文獻(xiàn)[10]提出利用高頻采樣脈沖來實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的采樣;文獻(xiàn)[11]把空間六邊形劃分成兩類,在兩類不同的區(qū)域內(nèi)采用不同的PWM波調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)參考電壓矢量的合成。但以上幾種方法存在以下問題:

    (1) 重構(gòu)算法復(fù)雜,編程實(shí)現(xiàn)難度較大。

    (2) 部分方法修改PWM開關(guān)信號會造成一個(gè)周期內(nèi)PWM開關(guān)信號不再對稱,導(dǎo)致電機(jī)相電流諧波增加,影響電機(jī)控制效果。

    為避免上述問題,文獻(xiàn)[12]提出了在非有效電壓矢量作用時(shí)段進(jìn)行采樣并重構(gòu)電機(jī)相電流的方法,取得了較好的效果。

    2 五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)

    2.1五相電流重構(gòu)原理分析

    五相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及傳感器安裝位置如圖5所示,定義上橋臂開關(guān)管開通為1,關(guān)斷為0。每個(gè)開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)著空間的一個(gè)電壓矢量。五相逆變器總共有10個(gè)開關(guān)管,可以形成25個(gè)電壓矢量,把空間分為10個(gè)扇區(qū)。為實(shí)現(xiàn)五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu),需對原來的電流傳感器安放位置進(jìn)行重新設(shè)計(jì),其中電流傳感器1檢測的是A相下橋臂與電機(jī)B相繞組電流之和,電流傳感器2檢測的是C相下橋臂與電機(jī)D相繞組電流之和。

    圖5 五相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    圖6 五相電機(jī)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    以圖6所示結(jié)構(gòu)為例,來進(jìn)一步說明電流傳感器輸出電流與電機(jī)相電流之間的對應(yīng)關(guān)系。定義電流傳感器1、2的采樣值分別為M、N。圖6(a)為逆變器處于電壓矢量U11111作用下的電流回路,此時(shí)Q1、Q3、Q5、Q7、Q9開通,電流通過A、B、C、D、E相流入電機(jī)。電流傳感器1檢測到的電流值M1,電流傳感器2檢測到的電流值N1,此時(shí)根據(jù)逆變器電流回路信息,傳感器檢測電流與相電流的對應(yīng)關(guān)系如式(2)所示。

    圖6(b)為逆變器處于電壓矢量U00000作用下的電流回路,此時(shí)Q1、Q3、Q5、Q7、Q9關(guān)斷,電流通過A、B、C、D、E相流出電機(jī)。電流傳感器1檢測到的電流值M0,電流傳感器2檢測到的電流值N0,此時(shí)對應(yīng)關(guān)系如式(3)所示。

    對于不同的電壓矢量,電流傳感器檢測到的電流值與電機(jī)相電流之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。其中逆變器上管開關(guān)狀態(tài)不確定的用X表示,未在表2中的電壓矢量為非電流采樣矢量。

    表2 電流傳感器采樣電流與相電流的對應(yīng)關(guān)系

    2.2矢量控制下的相電流重構(gòu)

    五相永磁同步電機(jī)矢量控制常用算法主要有最大相鄰兩矢量調(diào)制算法(Near Two Vectors SVPWM,NTV-SVPWM)與相鄰四矢量調(diào)制算法(Near Four Vectors SVPWM,NFV-SVPWM)。其中,NTV-SVPWM利用扇區(qū)邊界兩側(cè)的兩個(gè)最大來合成所需的參考電壓矢量,其算法較NFV-SVPWM算法簡單,但存在伴生三次諧波無法消除、兩相開關(guān)狀態(tài)同時(shí)改變易造成橋臂直通等缺點(diǎn),因此NTV-SVPWM算法在五相永磁同步電機(jī)控制應(yīng)用上受到了很大的限制。NFV-SVPWM利用扇區(qū)邊界兩側(cè)的兩個(gè)最大與兩個(gè)中等幅值矢量共4個(gè)電壓矢量來合成參考矢量,其電機(jī)控制性能較NTV-SVPWM有大幅度提升[13-14]。因此,本文研究的重點(diǎn)為采用NFV-SVPWM的五相電機(jī)矢量控制下的相電流重構(gòu)。

    當(dāng)電壓矢量位于第一扇區(qū)時(shí),參考電壓矢量由零矢量(U00000和U11111)、最大幅值矢量(U11000和U11001)、中等幅值矢量(U10000和U11101)三種矢量共同作用生成,其PWM波如圖7所示。在電壓矢量U11111作用時(shí),電流傳感器1采集到的電流值M1,電流傳感器2采集到的電流值N1。在電壓矢量U00000作用時(shí),電流傳感器1采集到的電流值M0,電流傳感器2采集到的電流值N0。這樣根據(jù)式(2)、式(3)就可以得到ia、ib、ic、id,根據(jù)公式ia+ib+ic+id+ie=0便可計(jì)算出另外一相電流值ie。對參考矢量在10個(gè)扇區(qū)的合成情況進(jìn)行分析可知:相電流重構(gòu)算法在10個(gè)扇區(qū)均可以重構(gòu)出五相電機(jī)的全部相電流。

    圖7 第一扇區(qū)內(nèi)采樣電流與相電流對應(yīng)關(guān)系

    2.3電壓有效工作區(qū)域及重構(gòu)區(qū)域

    相電流重構(gòu)方法主要利用兩個(gè)特殊矢量(U00000與U11111)的作用時(shí)間來對相電流進(jìn)行采樣并重構(gòu)。由PWM調(diào)制原理可知:這兩個(gè)矢量作用時(shí)間相等,且都為零矢量作用時(shí)間T0的一半。為保證電流重構(gòu)不會失效,傳感器必須在U00000與U11111作用時(shí)間內(nèi)采集到電流值,故需要每個(gè)矢量作用時(shí)間大于Tmin,即:0.5T0gt;Tmin。定義有效電壓矢量作用時(shí)間系數(shù)為A、輸出電壓矢量幅值為U,則有:

    式中:Amax——有效電壓矢量作用時(shí)間系數(shù)最大值;

    Udc——直流母線側(cè)電壓;

    Umax——輸出電壓矢量最大幅值,即電壓矢量有效工作區(qū)域的半徑。

    由式(6)可以看出,輸出電壓矢量最大幅值Umax與直流母線側(cè)電壓Udc、電壓矢量最小作用時(shí)間Tmin、PWM調(diào)制頻率fs有關(guān),并隨著PWM調(diào)制頻率的提高逐漸縮小,促使電壓矢量有效工作區(qū)域逐漸向中心靠近,如圖8所示。這種方法使相電流重構(gòu)區(qū)域幾乎為整個(gè)電壓矢量有效工作區(qū)域,重構(gòu)死區(qū)并不明顯。

    圖8 相電流重構(gòu)區(qū)域

    3 仿真及結(jié)果分析

    為驗(yàn)證本文提出的重構(gòu)算法的可行性,在MATLAB/Sinmulink環(huán)境下搭建重構(gòu)算法仿真模型。電機(jī)選用模型庫中自帶的表貼式五相永磁同步電機(jī)。電機(jī)相關(guān)參數(shù)如下:定子相電阻Rs=0.23 Ω、直軸電感Ld=0.006 H、交軸電感Lq=0.006 H、永磁體磁鏈Ψf=0.175 Wb、極對數(shù)p=18、轉(zhuǎn)動慣量J=0.008 kg·m2??刂葡到y(tǒng)參數(shù)如下:速度環(huán)Kp=0.05、Ki=0.9;電流環(huán)Kp=13、Ki=140;PWM調(diào)制頻率fs=10 kHz、調(diào)制周期Ts=0.000 1 s;逆變器直流母線側(cè)電壓Udc=140 V??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。電機(jī)采用NFV-SVPWM控制策略,利用PWM驅(qū)動信號控制電壓型五相逆變器給電機(jī)供電。電機(jī)電流經(jīng)過解耦分為直軸電流id、交軸電流iq,分別對id、iq進(jìn)行閉環(huán)

    圖9 重構(gòu)算法結(jié)構(gòu)框圖

    為說明相電流重構(gòu)算法的有效性,在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了仿真。給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=800 r/min,負(fù)載保持T=8 N·m恒定,此時(shí)的電流波形如圖10所示。圖10(a)、圖10(b)分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形,圖10(c)是利用該算法重構(gòu)得到的電機(jī)A相電流,圖10(d)為電機(jī)實(shí)際的A相電流。

    圖10 穩(wěn)態(tài)時(shí)的相電流

    為了分析采用重構(gòu)算法后,重構(gòu)相電流是否會出現(xiàn)高頻諧波增多的情況,分別對圖10(c)、圖10(d)進(jìn)行電流FFT分析,其結(jié)果如圖10(e)和圖10(f)所示。由于五相永磁同步電機(jī)控制方面的原因,所以實(shí)際的電機(jī)相電流包含有一定的諧波畸變。利用重構(gòu)算法進(jìn)行相電流重構(gòu)后,總諧波畸變率從6.00%小幅度增加到7.83%,重構(gòu)得到的相電流總諧波畸變率并未明顯增加。

    保持電機(jī)轉(zhuǎn)速n=800 r/min恒定,電機(jī)負(fù)載在1 s時(shí)由3 N·m突變到8 N·m的情況下進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖11所示。從圖11(a)、圖11(b)可以看出電機(jī)負(fù)載增大后,轉(zhuǎn)速先出現(xiàn)下降后逐漸上升并穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)矩上升并趨于穩(wěn)定。

    圖11 負(fù)載變化時(shí)的電流傳感器輸出與相電流

    從圖11(c)中可以看出電流傳感器1輸出電流包含有A相電流信息,與理論分析相符。從圖11(d)可以看出電機(jī)電流含有一定的高頻諧波,這是由五相電機(jī)控制方式導(dǎo)致的。從圖11(e)可以看出利用重構(gòu)算法得到相電流也包含有一定的高頻諧波。從圖11(e)、圖11(d)對比來看,相電流重構(gòu)精度與負(fù)載變化無關(guān),重構(gòu)的相電流與實(shí)際的相電流吻合度較高,重構(gòu)的相電流可反映實(shí)際的相電流。

    保持電機(jī)負(fù)載T=8 N·m恒定,使電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 s時(shí)由300 r/min突然增大到800 r/min,相關(guān)電流波形如圖12所示。從圖12(e)與圖12(d)對比可以看出,相電流重構(gòu)算法從電機(jī)低速到電機(jī)高速均可準(zhǔn)確地重構(gòu)相電流信息。

    為了驗(yàn)證相電流重構(gòu)方法在實(shí)際控制系統(tǒng)中的可靠性,在T=8 N·m、n=800 r/min、控制系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下,對采用相電流重構(gòu)方法的NFV-SVPWM控制和采用多傳感器的NFV-SVPWM控制進(jìn)行對比試驗(yàn),結(jié)果如圖13所示。從圖13(a)、圖13(b)可以看出采用相電流重構(gòu)方法控制后電機(jī)轉(zhuǎn)速脈動稍微增加,但基本可以忽略。從圖13(c)、圖13(d)可以看出采用相電流重構(gòu)方法控制后,穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較傳統(tǒng)多傳感器控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動稍微增加,但增加幅度不大。從圖13可以看出采用相電流重構(gòu)方法在降低傳感器數(shù)量的同時(shí)保證了電機(jī)較好的控制效果。

    圖12 轉(zhuǎn)速變化時(shí)的電流傳感器輸出與相電流

    圖13 相電流重構(gòu)控制與傳統(tǒng)多傳感器控制對比

    4 結(jié) 語

    為減少五相永磁同步電機(jī)中電流傳感器的數(shù)量,將三相永磁同步電機(jī)電流重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于五相永磁同步電機(jī)。本方法可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對相電流的重構(gòu),在減少傳感器數(shù)量的同時(shí)獲得較好的電機(jī)控制性能。本文首先研究了傳統(tǒng)的三相電流重構(gòu)原理及其重構(gòu)死區(qū),然后分析了五相逆變器中電流回路的情況,據(jù)此提出五相電機(jī)相電流重構(gòu)方法,通過在逆變器中的兩個(gè)橋臂上安放電流傳感器來檢測橋臂電流與指定繞組相電流之和,借助電流傳感器輸出電流與相電流的對應(yīng)關(guān)系得到五相電流的全部信息。最后在MATLAB軟件中完成了系統(tǒng)建模以及對所提算法的驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:五相永磁同步電機(jī)相電流重構(gòu)精度不隨負(fù)載、轉(zhuǎn)速的變化而改變,僅需兩個(gè)電流傳感器便可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行狀態(tài)下的五相電流高精度重構(gòu),大大減小了電路的成本和復(fù)雜性。仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了本文所提算法的正確性和有效性。

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    ResearchonPhaseCurrentReconstructionAlgorithmforFive-PhasePermanentMagnetSynchronousMotorBasedonVectorControl*

    ZHANGQilin,QUANLi,ZHANGChao,ZHAOMeiling

    (School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

    Considering the problem of over many current sensors used in five-phase permanent magnet synchronous motor control system, a new method of current reconstruction for five-phase permanent magnet synchronous motor was proposed. This method used only two current sensors to realize full acquisition of five-phase current, could effectively reduce the cost and complexity of the hardware circuit. The reconstruction precision and speed could meet the needs of five-phase permanent magnet synchronous motor control. Finally, the proposed method was validated in MATLAB. Results showed the correctness and effectiveness of the proposed method.

    five-phasepermanentmagnetsynchronousmotor;phasecurrentreconstruction;currentacquisition;currentsensor

    國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377073)

    張其林(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)。全 力(1963—),男,博士生導(dǎo)師,教授,研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)和汽車的電氣控制技術(shù)。

    TM 351

    A

    1673-6540(2017)11- 0018- 08

    2017 -03 -25

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